Como fazer placas PCIs para protótipos

Nesses meus 10 longos anos fazendo e promovendo Educação de Tecnologia e Design, através de 200 cursos e eventos, serviços, conteúdos, empregos e projetos, certos momentos, posts e pessoas me lembram do meu privilégio de encontrar e conviver, com o talento, o trabalho e ideias que fazem sentido para a minha vida!

A pessoa, e nesse caso também o post, é no Instagram do Jhun (@jhunkusano), postado por ele dia 08/07/2022, contando como ele faz suas próprias placas de circuito impresso (PCIs) para protótipos: https://www.instagram.com/reel/CfwGnj1Drjp/

Ao meu convite, aqui nesse post, ele generosamente vai explicar mais sobre o processo em detalhes, para você aprender, acompanhar, pegar dicas e/ou ideias para fazer você mesmo a sua placa.

Muito obrigado pela atenção e pelo seu incrível trabalho Jhun <3

Quem é o Jhun?

Jhun é Designer de formação e pós-graduado em Engenharia de Software. Isso resume bem seu perfil multidisciplinar, apaixonado pela arte e pelo código, se considera um Maker, aprendendo e fazendo um pouco todos os dias.

A curiosidade pela eletrônica (nosso tema de hoje) acabou vindo naturalmente, instigada pela vontade de fazer Experiências Imersivas Phygital (Experiências Imersivas Físicas Digitais), usadas em eventos, exposições e museus interativos.

Atualmente trabalha como Tech Leader na Umantech, desenvolvendo projetos de inovação para diversas empresas. Já contribuiu com seu trabalho para empresas como Google, Volvo, O Boticário, Coca-Cola, McDonald’s, Warner Bros, Universal Studios, Volkswagen, Toyota, IMREA-HC, Unilever, Mastercard, XP, GS1, Saint Gobain, entre outros.

Na área de pesquisa e desenvolvimento, atualmente integra como bolsista pesquisador da FAPESP, o projeto Archimotu (@archi_motu). Está envolvido também em projetos ligados à inovação na área da saúde, colaborando com projetos com temas como Reabilitação Física e de inovação em serviços existentes na área.

“Eu sigo em busca do inacreditável. Sempre parece impossível, até que seja feito.”

Vocês podem acompanhar mais sobre Jhun em:

https://jhun.com.br
https://www.instagram.com/jhunkusano/

O que são PCIs (Placas de Circuito Impresso)

Ou em inglês, PCBs (Printed Circuit Boards)? Placas de circuito impresso são a base do circuito eletrônico, desenhada de forma customizada para cada projeto, integrando todos os componentes que a compõem.

Além de ter a função de integrar todas as partes, ela também tem a função de agregar estabilidade ao sistema eletrônico, uma vez que eliminamos a maior parte (ou todos) os cabos do sistema eletrônico, substituídos pelas trilhas de cobre folhadas na placa rígida, seja ela de fibra de vidro, fenolite, fibra de poliéster ou outros polímeros com propriedade isolante.

Placa que faremos (Método fotográfico, trilhas médias/finas e mascaradas, poderíamos fazer multilayer, mas faremos layer simples, textos com transfer, médio aproveitamento de espaço). Foto @jhunkusano.

Os circuitos impressos (em inglês denominados com as siglas PCB e PCBA), foram criados em substituição às antigas pontes de terminais, onde se fixavam os componentes eletrônicos, em montagem conhecida no jargão de eletrônica como “montagem aranha”, devido à aparência final que ele tomava, principalmente onde existiam válvulas eletrônicas e seus múltiplos pinos terminais do soquete de fixação. Eles mecanicamente suportam e eletricamente conectam componentes eletrônicos usando trilhas, pads e outros gravados em folhas de cobre laminado em um substrato não condutor.

O circuito impresso consiste de uma placa isolante de fenolite, fibra de vidro, fibra de poliéster, filme de poliéster, filmes específicos à base de diversos polímeros, entre outros, que possuem a superfície com uma, duas ou mais faces, revestida por fina película de cobre, constituindo as trilhas condutoras, revestidas por ligas à base de ouro, níquel, estanho, chumbo ou verniz orgânico (OSP), entre outras, que representam o circuito onde serão soldados e interligados os componentes eletrônicos.

Um circuito impresso mínimo com um único componente usado para prototipagem é chamado de placa de breakout.

Os circuitos impressos são usados em quase todos os produtos eletrônicos. Alternativas para estes incluem fio revestido e construção ponto a ponto. Eles exigem um esforço no design adicional para estabelecer o circuito, mas a fabricação e a montagem podem ser automatizadas.

Os circuitos Impressos podem também ser constituídos de 4, 6, 8 ou mais faces condutoras, chamados de multilayers ou multicamadas.

Exemplo de projetos

No case do vídeo apresentado, a PCI fabricada é parte de um protótipo do projeto Archimotu (@archi_motu), onde integrei um microcontrolador ESP32, um encoder KY-040 e um módulo HX-711 para converter os sinais analógicos de uma célula de carga.

Antes de criar a PCI, tudo era conectado por jumpers. Isso agiliza os testes, mas deixa o conjunto bem frágil como um todo. Isso não é bom, principalmente para um produto que se movimenta e balança constantemente, como no nosso caso.

Testado o conceito, desenhei e fabriquei a PCI. Veja as etapas de PCIs do protótipo.

PCIs são a base para qualquer projeto eletrônico. Veja abaixo mais exemplos, no caso, dos protótipos de Headsets de VR da Vive (Valve) e a PCI do Atari 2600.

Como você pode notar, a PCI é a base de todo circuito integrado. Dessa forma, as possibilidades são infinitas.

Para quais tipos de protótipos é ou não recomendado fabricar a própria placa?

Infelizmente, pedir para fabricar pequenas quantidades de PCIs em lugares especializados aqui no Brasil é muito caro.

Quando se trata de protótipos, ou seja, quando criarmos peças de testes e/ou evolução de produto, fica inviável utilizarmos estes serviços. A opção é certamente criarmos nossas próprias PCIs. E quando entramos neste campo, existem inúmeras técnicas disponíveis para escolhermos, aprendermos e usarmos.

A técnica mais simples é a de desenharmos com uma caneta permanente sobre uma placa folhada com cobre e posteriormente fazer a corrosão das partes expostas (sem tinta da caneta).

A partir dessa ideia desdobramos para várias outras técnicas, como gravação em CNC, impressão a laser transferida com acetona, impressora modificada em LED UV, entre outras.

A técnica apresentada aqui é a fotográfica. Nela, desenhamos o circuito num software (EASYEDA), imprimimos algumas das camadas (às vezes em positivo, às vezes em negativo) do projeto em uma transparência, que são as matrizes para exposição da Placa cobreada na Luz UV (Luz negra). Isso só é possível pois utilizaremos uma tinta fotossensível que revestirá toda a placa cobreada. Finalizamos o projeto com a impressão das layers de Silk, que contém textos técnicos e desenhos de referência em um papel transfer, que pode ser transferido para a placa usando o nosso famoso ferro de passar.

Essa técnica permite fazermos trilhas razoavelmente finas com boa qualidade, por termos uma boa resolução na queima pela Luz UV. Outro ponto positivo dessa técnica é de fazermos uma segunda de tinta fotossensível, usando a matriz (layer) de máscara do circuito, que quando gravada na luz UV, deixará apenas os pontos de solda com o cobre exposto, facilitando na hora de soldar os componentes e até mesmo protegendo o circuito todo, revestindo as trilhas, evitando oxidação da mesma.

Para quase todos os tipos de protótipos é possível fazer uso dessa técnica. Ela só fica inviável quando:

• Você precisa de muitas cópias da PCI
• Você está na fase de condensar ao máximo o circuito para ir para a produção, utilizando multilayers complexas e microcomponentes (SMD)
• Você tem o tempo como fator limitante do projeto

Nestes casos, o ideal é seguir para a produção em empresas especializadas em fabricação de placas eletrônicas.

Atenção e cuidados

Neste método usamos basicamente 3 processos químicos. São eles:

• Remoção da tinta fotossensível que não foi queimada pela luz UV, usando Barrilha Leve (Carbonato de Sódio) diluída em água
• Remoção (Corrosão) da tinta fotossensível queimada pela luz UV, usando Soda Cáustica (Hidróxido de sódio) diluída em água
• Corrosão do cobre sobre a placa de fenolite, usando Percloreto de Ferro diluído em água 

Evite ao máximo o contato  direto dessa substância com sua pele. Se acontecer, lave com muita água corrente. Pouca água vai apenas espalhar ela sobre seu corpo. As demais substâncias são menos prejudiciais, mas note que o Percloreto de Ferro tem uma cor bem forte e em contato com a roupa e pele, pode manchá-la e ser de difícil remoção, por isso use uma luva, avental e óculos e tenha muito cuidado e paciência ao manuseá-las.

Que tipo de material é preciso?

Para você começar a fazer placas PCIs por este método, você pode acabar gastando um pouco além do esperado, pois provavelmente vai precisar comprar muitos dos materiais listados abaixo. Porém, caso você comece a usar estas técnicas periodicamente, isso tende a baixar drasticamente, pois você não precisará investir repetidamente em todos os itens. Vale a pena também gastar um tempo preparando os equipamentos e espaço de trabalho para todas as etapas, como por exemplo a centrífuga e o forno. Isso pode facilitar muito seu processo de aprendizagem e testes até alinhar bem o método no que diz respeito ao tempo dos processos químicos, exposição à Luz UV, etc.

Vamos à lista:

• Pincéis de artesanato para pintar com a tinta fotossensível e para auxiliar na etapa de remoção de tinta com Barrilha. Não use estes pincéis com soda cáustica, pois ela derreterá as cerdas do pincel
• Placa de Fenolite cobreada (no nosso caso, cobreada apenas de um lado da placa)
• Estilete e régua de aço para marcar os cortes das placas cobreadas
• Bombril e detergente, para lavar a lâmina cobreada da placa, removendo gordura e possível oxidação e lavar a placa entre as etapas se necessário
• Tinta fotosensível para PCI / PCB
• Caneta permanente de retroprojetor / marcador de CD 
• Butil Glicol (Solvente da tinta fotosensível caso seja necessário diluir a tinta ou auxiliar na remoção da mesma)
• Barrilha Leve (Carbonato de Sódio) para remover a tinta seca, não exposta na luz UV
• Soda Cáustica (Hidróxido de Sódio) para remover a tinta seca, exposta na luz UV
• Recipientes para fazer as soluções químicas de cada etapa, com tamanho suficiente para mergulhar as placas cobreadas (tamanho depende do seu projeto)
• Micro Retífica com brocas de até 1mm para furar ilhas + broca para furar pontos de fixação de parafusos + suporte vertical de mesa para auxiliar nas furações. A alternativa é usar furadeira / parafusadeira 
• Serra circular para cortar a placa nas dimensões finais. A alternativa seria uma serra tico-tico ou marcação com estilete e régua de aço para quebrar com a mão
• Soprador térmico para secar a tinta fotosensível. A alternativa seria um secador de cabelo
• Papel transfer para imprimir os textos e marcações técnicas do projeto de sua placa
• Impressora jato de tinta para imprimir no papel transfer
• Ferro de passar para transferir o impresso do papel transfer para placa
• Forno. Aqui use o soprador(a 80°C) ou o secador de cabelo. Dentro de uma caixa de papelão ou outro material que aguente a temperatura. Pode usar um forninho, desde que ele consiga controlar a temperatura para no mínimo 90°C
• Centrífuga. No meu caso construí uma centrífuga usando um motor de passo Nema 17, driver para o motor e arduino. Uma dica para quem é iniciante nos motores, é fazer uma rampa(de valores de rotação do motor) para acelerar o motor de forma gradual até a velocidade desejada. Nunca tentar rodar o motor direto na velocidade máxima. Não sei exatamente qual seria a alternativa para essa etapa, use sua imaginação. Talvez uma boa ideia seja tentar fixar o centro de sua placa na broca da parafusadeira e acioná-la por um tempo =) 
• Luz UV (Luz negra) para fazer a exposição da placa com a lâmina de acetato impressa com seu circuito. O circuito deve ser impresso em negativo, para que as trilhas e ilhas estejam sem tinta e assim a luz UV possa atravessar o acetato e solidificar a tinta fotossensível na placa. Já a lâmina impressa da “máscara do circuito”, que nada mais é do que a lâmina com as ilhas (pontos onde soldamos) do circuito. Essa lâmina de acetato NÃO deve ser impressa em negativo, de forma que o impresso seja apenas as ilhas mesmo, protegendo os pontos de solda da LUZ UV e solidificando o resto da tinta do circuito, para que essa tinta proteja toda a placa contra a oxidação
• Solda para soldar os componentes depois que a placa estiver pronta
• Estação de solda. Alternativa é ferro de solda. Para iniciantes, uma dica para prolongar o ferro de solda, é importante ter pasta de solda e esponja de aço para limpeza da ponta do ferro de solda
• Software Easyeda para desenhar seu circuito eletrônico que será usado na placa PCB. Tem versão Free. Ideal para começar e aprender. Tem vários vídeos no youtube ensinando a usá-lo
• Para impressão no acetato, minha indicação é imprimir em gráficas especializadas. O acetato padrão não consegue imprimir numa jato de tinta normal. Uma opção (que eu não testei) é usar uma folha de acetato especial para jato de tinta. Você acha no google para comprar. Desafio vocês a testar ou achar outras formas viáveis. A ideia é que a impressão fique o mais opaca possível para que a LUZ UV não atravesse a impressão, pois isso fará com que a tinta seja gravada na placa indesejadamente.

Onde encontrar os materiais? 

A maior parte dos materiais eu compro no Mercado Livre, dificilmente vou a alguma loja física procurar os materiais. No Mercado Livre eu acho uma grande variedade de marcas, preços, prazos de entrega.

Caso comprem por lá, vejam sempre a pontuação do vendedor, comentários sobre a qualidade do material, etc. Às vezes, coisas pequenas, fáceis de achar em papelarias, armazéns, eu vou e compro diretamente numa loja local, para agilizar.

Bons projetos e obrigado pela leitura! Quem quiser divulgar os seus projetos e mostrar o que fez, manda para gente no Twitter, Instagram ou Facebook, sempre @coletividad